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Von Aristoteles zur Kernfusion

Der lange Weg zur Erkenntnis, was Energie überhaupt ist

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Wege aus der Klimakatastrophe
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Zusammenfassung

Was ist eigentlich Energie? Die Antwort auf diese Frage ist heute Schulstoff für die Unterstufe – und doch tun sich die meisten Menschen schwer damit, das Phänomen Energie physikalisch richtig zu beschreiben. Erfahrungsgemäß geraten dabei die Begriffe „Kraft“, „Leistung“, „Impuls“ und „Energie“ ziemlich durcheinander. Auch den Gelehrten der letzten 2500 Jahre wollte es lange Zeit nicht gelingen, ihre Beobachtungen mit sauber getrennten Begriffen zu beschreiben und so Ordnung in das Energiechaos zu bringen.

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Notes

  1. 1.

    J.R. Mayer, Bemerkungen über die Kräfte der unbelebten Natur. Annalen der Chemie und Pharmacie. 42 (2): 233–240 (1842).

  2. 2.

    R. Feynman, The Feynman Lectures on Physics, Vol. I, Chapter 4, Reading, Mass., Addison-Wesley Pub. Co. (1961).

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Correspondence to Lars Jaeger .

Anhang – Energie in verschiedenen Gewändern

Anhang – Energie in verschiedenen Gewändern

  1. 1.

    Kinetische Energie

    Diese Energieform ist verbunden mit Bewegung. Seit Jahrtausenden wird durch Wind- und Wassermühlen die kinetische Energie von strömender Luft (Wind) beziehungsweise Wasser genutzt. Häufig ist es unser Ziel, andere Energieformen in kinetische Energie umzuwandeln. Bei Benzin- und Dieselautos wird die chemische Energie des Treibstoffs durch Verbrennung zunächst in Wärme- und dann in Bewegungsenergie des Fahrzeugs umgewandelt. Bei Elektroautos ist es die elektrische Energie, die deren Fortbewegung ermöglicht.

  2. 2.

    Potenzielle Energie (Lageenergie )

    Ein ruhender Gegenstand, der im Vergleich zu einem anderen Ortsniveau höher liegt, hat eine entsprechende Lageenergie. Lässt man den Gegenstand fallen, kann diese in Bewegungsenergie umgewandelt werden. In Speicherstauseen wird Energie in Form von Lageenergie gespeichert. Bei Bedarf wird das Wasser auf ein tieferes Niveau abgelassen und die Lageenergie in mechanische Bewegungsenergie und schließlich in elektrische Energie umgewandelt.

  3. 3.

    Wärmeenergie

    Wärme entsteht bei Verbrennungen, aber auch bei der Reibung von Körpern. In Verbrennungsmotoren (Dampfmaschinen, Automotoren) wird sie in mechanische Energie umgewandelt.

  4. 4.

    Chemische Energie

    Alle chemischen Verbindungen enthalten chemische Energie. Physikalisch gesehen handelt es sich um die Energie der Elektronen in der Atomhülle. Brennstoffe wie Kohle, Holz, Öl und Erdgas eignen sich besonders gut zur Nutzung der chemischen Energie. Bei ihrer Verbrennung wird Wärme freigesetzt, die wiederum in mechanische (Automotor) oder elektrische Energie (Kohlekraftwerk) umgewandelt werden kann. Auch in Nahrungsmitteln wird die chemische Energie genutzt. Durch die Verbrennung – das Fachwort dafür ist Oxidation – zum Beispiel von Kohlenhydraten in Lebewesen wird die chemisch gebundene Energie für Lebensprozesse aller Art verwendet.

  5. 5.

    Elektrische Energie

    Elektrische Energie entspricht der Bewegungsenergie geladener Teilchen, zum Beispiel von Elektronen. Als Strom ist sie die für uns wohl praktischste Energieform, da sie sich leicht in kleinen Geräten in nahezu fast alle anderen Energieformen umwandeln lässt. Im Elektromotor wird Strom zu Bewegungsenergie, im Heizgerät zu Wärmeenergie, in einer Leuchte zu Strahlungsenergie, in diesem Fall: zu Licht. Über Kabel lässt sich elektrische Energie auch sehr einfach über große Entfernungen transportieren. Zwei Nachteile hat die elektrische Energie allerdings. Erstens: Sie lässt sich nur schwer in größeren Mengen speichern. Zweitens: Bei der Umwandlung in andere Energieformen treten oft signifikante Umwandlungsverluste auf.

  6. 6.

    Strahlungsenergie

    Auch (Sonnen-)Licht und andere elektromagnetische Strahlung besitzt Energie. Pflanzen nutzen diese Energie für ihren Stoffwechsel (Fotosynthese). Die Lichtenergie der Sonne strömt in großen Mengen auf die Erde ein und ist die Grundlage für alles Leben auf der Erde, denn zuletzt findet jegliche chemische Energie, die Lebewesen für ihren Stoffwechsel brauchen, ihren Ursprung in der Sonne. Kohle, Holz, Öl und Erdgas sind die Überreste pflanzlicher Kohlenhydrate, die vor vielen Millionen Jahren mittels Fotosynthese erzeugt wurden. Mithilfe von Fotozellen lässt sich Lichtenergie direkt in elektrische Energie umwandeln.

  7. 7.

    Kernenergie

    Während die chemische Energie ihren Ursprung in der Elektronenhülle der Atome hat, stammt die Kernenergie aus Reaktionen der Atomkerne. Sie ist die mächtigste aller Energien: Im Vergleich zur chemischen Energie der Elektronenhülle werden vielfach größere Energiemengen frei. Es gibt zwei Formen der Kernenergie. Erstens: Kernenergie, die bei der Spaltung großer Atomkerne frei wird – dies ist das Prinzip, nach dem heutige Kernkraftwerke funktionieren. Zweitens: Kernenergie, die bei der Verschmelzung leichter Atomkerne freigesetzt wird – sie ist unter anderem die Quelle der Strahlungsenergie der Sonne.

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Jaeger, L. (2021). Von Aristoteles zur Kernfusion. In: Wege aus der Klimakatastrophe. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-63550-6_1

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